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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Brauch- und Trinkwasser mittels eines mehrstufigen Destillationsverfahrens nach dem MSF (Multi Stage Flash) oder MED (Multi Effect Distillation) Verfahrens mit Zufuhr von Heizwärme.
Gattungsgemässe Anlagen arbeiten mit hoher Wärmerückgewinnung, indem das zuströmende Meerwasser in Serie über die Wärmetauscher der einzelnen Stufen zur Kondensatverflüssigung geleitet wird, wobei nach Austritt aus der obersten Stufe eine Nachheizung im Ausmass von etwa ein bis zwei Stufentemperaturintervallen erfolgt, oder, indem Prozessdampf in die erste Entspannungsstufe eingeleitet wird. Bei solargetriebenen Anlagen erfolgt zumeist eine Nacherwärmung des Meerwassers nach Austritt aus der Vorwärmkolonne über kuperative Wärmetauscher mit Medientrennung zwischen Meerwasserkreis und Kollektorkreis.
Dieser Wärmetauscher ist jedoch sekundärseitig von starken Ablagerungen belastet und somit wartungsintensiv. Um die Kollektortemperaturen so niedrig als möglich zu halten, wird versucht, direkt mit Meerwasser durchströmte Kollektoren einzusetzen. Dies führt zur Ersparnis des Wärmetauschers zwischen Meerwasser- und Kollektorkreislauf, verlagert jedoch das Problem der Korrosion und Ablagerungen auf Kollektoren und Pufferspeicher. Durch die Entwicklung von entsprechenden Kollektormaterialien aus Kunststoffen und Verbundwerkstoffen wird versucht das Problem der Korrosion und der Ablagerungen zu minimieren und somit einen wirtschaftlichen Einsatz von Sonnenenergie zu ermöglichen.
Für viele Wärmeabgabesysteme wie zum Beispiel Sonnenkollektoren oder Kühlkreise von wärmetechnischen Anlagen ist jedoch die Temperatur des zuströmenden Meerwassers aus der Vorwärmkolonne zu hoch, um noch eine effiziente Wärmeabgabe bzw. das gewünschte Kühlziel zu erreichen. Zudem müssen Pufferspeicher relativ gross ausgelegt werden, da die Differenz von Vor- zu Rücklauftemperatur nicht all zu hoch ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Gefahr der Korrosion und der Ablagerungen im Kollektorkreis zu beseitigen, ohne einen Wärmetauscher mit Medientrennung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf zwischenzuschalten, wobei im Gegensatz zur oben angeführten Lösungsvariante nicht auf die Entwicklung von besonderen Materialen für Kollektoren und Pufferspeicher eingegangen wird, sondern,
indem eine prozesstechnische Lösung zur Vermeidung des Direktkontaktes von Meerwasser in den Kollektoren angeboten wird. Zudem soll die Rücklauftemperatur zu den Wärmeabgabesystemen niedrig gehalten werden können. Dies wird erfindungsgemäss durch eine Anlage gemäss den Kennzeichen des Anspruches 1 erreicht. Dabei wird Destillat aus der Vorwärmkolonne entnommen, durch den(die) Wärmetauscher der Heizeinrichtung(en) geleitet, und anschliessend in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne rückgeführt. Die Destillatrückführung erfolgt dabei entweder über eine separate Entspannungskammer, oder direkt in eine der Kondensationsstufen der Vorwärmkolonne.
Entscheidend für die prozesstechnische Funktion ist die Zumischung in den Destillatstrom der Vorwärmkolonne und nicht in den Meerwasserkreislauf.
Mit dieser Verschaltung ist es möglich, MWE- Anlagen ausschliesslich über Heizwärme zu betreiben, die Rücklauftemperaturen zu den Kollektoren niedrig zu halten und diese mit ablagerungsfreiem Destillat zu durchströmen. Je nach Belieben sind verschiedenste Kombinationen mit mehreren Heizwärmeanbindungen mit unterschiedlichen Destillatentnahmen und Rückführungen, sowie Einbindungen von Kompressoranlagen, möglich. Vorteilhafte Ausführungen sind im Hauptanspruch und in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Grundvariante sieht vor, eine Anlage ausschliesslich über Heizwärme aus thermischen Kollektoren zu betreiben.
Dabei wird erfindungsgemäss Destillat aus der Destillationskolonne entnommen, in den Kollektoren auf etwa 165 [deg.]C erwärmt, und anschliessend in eine Entspannungskammer mit Dampfzuleitung zum Meerwasserkreis eingeleitet. Der Dampf aus der Entspannungsverdampfung dient zur Resterwärmung des aus der Vorwärmkolonne austretenden Meerwassers, welches anschliessend in fallender Reihenfolge durch die einzelnen Druckstufen der Entspannungsverdampfung geleitet wird. Um die Anlage durchgehend betreiben zu können ist ein entsprechender Pufferspeicher vorzusehen. Je grösser die Differenz von Vorlauftemperatur zu Rücklauftemperatur im Kollektorkreis ist, desto kleiner kann der Pufferspeicher ausgelegt werden.
Sowohl aus dieser Sicht als auch dem Bestreben, die mittlere Kollektortemperatur möglichst niedrig zu halten, empfiehlt sich das Destillat für den Kollektorkreis nach Austritt aus der untersten Stufe der Vorwärmkolonne zu entnehmen.
Eine erweiterte Variante sieht vor, zusätzlich zu den thermischen Kollektoren Hybridkollektoren anzubinden. Dies sind nachgeführte Kollektoren mit gekühlten Solarzellen, welche über Spiegel mit hoher Strahlungsintensität beaufschlagt werden. Die Hybridkollektoren wirken über die Tageszeit unterstützend zur Destillatgewinnung, dienen jedoch vorwiegend der Stromerzeugung. In Symbiose mit der Entsalzungsanlage können diese Kollektoren mit ablagerungsfreiem Destillat bei niedriger Rücklauftemperatur durchströmt werden.
Je nach Einspeisetemperatur (70 - 100 [deg.]C) wird das Destillat an der entsprech enden Temperaturstufe der Vorwärmkolonne in den Destillatstrom rückgeführt. Mit dieser erfindungsgemässen Verschaltung gelingt es, Hybridkollektoren zu einem grosstechnischen Einsatz zu verhelfen. Über den mit diesen Kollektoren erzeugten Solarstrom kann in weiterer Folge Wasserstoff erzeugt werden.
Eine weitere Variante sieht darüber hinaus vor, anstatt der thermischen Kollektoren eine Kompressoranlage für die Grundlast einzusetzen. Dabei wird Dampf aus der Destillationskolonne entnommen und über die Kompressoreinheit in die Kammer zur Resterwärmung des vorgewärmten Meerwassers gebracht. Die Hybridkollektoren können nun in der erfindungsgemässen Weise eingebunden werden.
Dieses Konzept ist zum Beispiel ideal zur Nachrüstung von bereits bestehenden kompressorgetriebenen Anlagen, welche nach einem stufenweisen Destillationsverfahren funktionieren, geeignet. Pufferspeicher sind nicht notwendig, da die Anlage in einer Art Grundlast durchgehend über die Kompressoreinheit in Betrieb gehalten wird. Bei Grossanlagen ist vorstellbar, die Kompressoreinheit direkt über eine Gasturbinenanlage zu betreiben, und Kühl- als auch Abwärme über destillatdurchströmte Wärmetauscher entsprechend der erfindungsgemässen Verschaltung in die MWEAnlage einzubringen.
Die Erfindung bezieht sich nicht ausschliesslich auf die oben angeführten Varianten, sondern auf alle möglichen Kombinationen die sich aus diesen Varianten ergeben.
Der Einsatz des erfindungsgemässen Verfahrens der Destillatentnahme aus der Vorwärmkolonne, Erwärmung über ein oder mehrere Heizeinrichtungen sowie Rückführung in den Destillatkreislauf der Vorwärmkolonne, beschränkt sich nicht nur auf Destillationsanlagen von Meerwasser, sondern auch auf Anlagen zur Destillation von Brackwasser und biologisch und chemisch verunreinigtem Wasser zur Brauch- und Trinkwassergewinnung.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit Wärmezufuhr über Sonnenkollektoren nach dem allgemeinen Stand der Technik.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermische Kollektoren.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermischen Kollektoren und Hybridkollektoren. Fig. 4 eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit Dampfzufuhr über eine Kompressoranlage sowie einer Anbindung von Hybridkollektoren.
Der in Fig.1 dargestellte Stand der Technik ist ein allgemein bekannter Prozess einer MSF(Multi Stage Flash) Destillationsanlage zur Gewinnung von Brauch- bzw. Trinkwasser nach einem thermischen Verfahren.
Die Wärme aus dem Kollektoren 1 wird von einem Pufferspeicher 4 über einen Wärmetauscher 3 an das vorgewärmte Meerwasser 2 weitergegeben.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermischen Kollektoren 1. Die Entnahme von Destillat 5_1 aus der Vorwärmkolonne 6 für den Kollektorkreis erfolgt bei einer mittleren Stufentemperatur. Die Rückgabe des erhitzten Destillats 5_2 an die Vorwärmkolonne 6 erfolgt über eine vorgelagerte Entspannungskammer 7 mit Dampfzuleitung 8 in eine Kondensationskammer 9 zur Resterwärmung des Meerwassers. Durch Zwischenschaltung eines Pufferspeichers 4 wird sichergestellt, dass die Anlage Tag- und Nacht in Betrieb gehalten werden kann.
Abgesehen von den Pumpen wird die Anlage ausschliesslich thermisch getrieben.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, mit der erfindungsgemässen Anbindung von thermischen Kollektoren 1 und Hybridkollektoren 10. Die Destillatauskopplung 5_1 für beide Kollektorkreise erfolgt bei Austritt aus der Vorwärmkolonne 6. Von den thermischen Kollektoren 1 wird das erhitzte Destillat über einen Pufferspeicher 4 in die Entspannungskammer 7 eingebracht. Die Hybridkollektoren 10 geben das erwärmte Destillat 5_2 direkt in eine der oberen Stufen der Vorwärmkolonne 6 weiter. Im Idealfall erfolgt die Destillateinleitung variabel wählbar in jene Stufe, in welcher ungefähr die Temperatur des zugeführten Destillats (5_2) vorherrscht.
Abgesehen von den Pumpen wird die Anlage ausschliesslich thermisch getrieben.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer MSF- Destillationsanlage, welche in der Grundlast über eine Kompressoranlage 11 betrieben wird. Die Anbindung der Hybridkollektoren 10 dient vorwiegend der Stromerzeugung. Erfindungsgemäss wird das Destillat 5_1 bei Austritt aus der Vorwärmkolonne entnommen und nach Erwärmung durch die Hybridkollektoren 10 in eine der oberen Stufen der Vorwärmkolonne 6 rückgeleitet.
Die Hybridkollektoren 11 können aufgrund der niederen Einspeisetemperatur die MWE- Anlage ohne Kompressorunterstützung nicht eigenständig in Betrieb halten, leisten jedoch einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung des Destillatausstosses.
Bei den in allen Figuren schematisch dargestellten erfindungsgemässen Merkmalen ist darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Bauteile sowie Zuleitungen in allen verschiedenen Ausführungsvarianten und Materialien gefertigt sein können.
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The present invention relates to a plant for the production of industrial and drinking water by means of a multi-stage distillation process according to the MSF (Multi Stage Flash) or MED (Multi Effect Distillation) method with supply of heating heat.
Generic systems work with high heat recovery by the incoming seawater is passed in series on the heat exchanger of the individual stages for condensate liquefaction, after exiting the top stage reheating to an extent of about one to two stage temperature intervals, or, by process steam in the first Relaxation stage is initiated. In solar-powered systems, a reheating of the seawater after exiting the preheating column usually takes place via coupler-type heat exchangers with media separation between the seawater circuit and the collector circuit.
However, this heat exchanger is loaded on the secondary side of heavy deposits and thus maintenance-intensive. In order to keep the collector temperatures as low as possible, an attempt is made to use directly with seawater flowed through collectors. This results in the savings of the heat exchanger between seawater and collector cycle, but shifts the problem of corrosion and deposits on collectors and buffer memory. Through the development of appropriate collector materials made of plastics and composite materials, attempts are being made to minimize the problem of corrosion and deposits, and thus to enable economical use of solar energy.
However, for many heat delivery systems such as solar panels or cooling circuits of heat engineering plants, the temperature of the incoming seawater from the preheating column is too high to still achieve efficient heat dissipation or the desired cooling target. In addition, buffer storage must be designed relatively large, since the difference from the flow to return temperature is not too high.
The object of the present invention is now to eliminate the risk of corrosion and deposits in the collector circuit, without interposing a heat exchanger with media separation between the primary and secondary circuit, in contrast to the abovementioned solution variant not on the development of special materials for collectors and buffer memory is received, but
by offering a process engineering solution for avoiding direct contact of seawater in the collectors. In addition, the return temperature to the heat delivery systems should be kept low. This is achieved according to the invention by a system according to the characteristics of claim 1. In this case, distillate is removed from the preheating, passed through the (the) heat exchanger of the heater (s), and then returned to the distillate of the preheating column. The distillate recycling takes place either via a separate expansion chamber, or directly into one of the condensation stages of the preheating column.
Crucial for the process engineering function is the admixture in the distillate stream of the preheating and not in the seawater cycle.
With this interconnection, it is possible to operate MWE systems exclusively via heating heat, to keep the return temperatures to the collectors low and to flow them through with deposit-free distillate. Depending on your preference, a wide variety of combinations with several heating connections with different distillate withdrawals and returns, as well as the integration of compressor systems, are possible. Advantageous embodiments are characterized in the main claim and in the subclaims.
The basic variant is to operate a system exclusively via thermal heat from thermal collectors.
According to the invention, distillate is taken from the distillation column, heated in the collectors to about 165 ° C., and then introduced into an expansion chamber with steam supply to the seawater circuit. The steam from the flash evaporation serves for the residual heating of the seawater emerging from the preheating column, which is then passed in descending order through the individual pressure stages of the flash evaporation. In order to be able to operate the system continuously, a corresponding buffer memory is to be provided. The greater the difference between flow temperature and return temperature in the collector circuit, the smaller the buffer memory can be designed.
Both from this point of view and the effort to keep the average collector temperature as low as possible, it is recommended to take the distillate for the collector circuit after exiting the lowest stage of the preheating column.
An extended variant provides for connecting hybrid collectors in addition to the thermal collectors. These are tracked collectors with cooled solar cells, which are acted upon by mirrors with high radiation intensity. The hybrid collectors have a supporting effect on the distillation of distillate during the day, but are mainly used to generate electricity. In symbiosis with the desalination plant these collectors can be flowed through with deposit-free distillate at a low return temperature.
Depending on the feed temperature (70-100 ° C.), the distillate is recirculated to the distillate stream at the corresponding temperature stage of the preheating column. With this inventive interconnection it is possible to help hybrid collectors to a large-scale use. As a result, hydrogen can be generated via the solar power generated by these collectors.
Another variant also provides, instead of the thermal collectors use a compressor system for the base load. In this case, steam is removed from the distillation column and brought via the compressor unit in the chamber for residual heating of the preheated seawater. The hybrid collectors can now be integrated in the manner according to the invention.
For example, this concept is ideal for retrofitting existing compressor-driven systems that operate according to a staged distillation process. Buffer tanks are not necessary because the system is kept in continuous operation via the compressor unit in a kind of base load. In large-scale systems, it is conceivable to operate the compressor unit directly via a gas turbine plant, and to introduce cooling as well as waste heat via heat exchangers through which the heat exchanger has flowed in accordance with the connection according to the invention into the MWE plant.
The invention does not relate exclusively to the above-mentioned variants, but to all possible combinations resulting from these variants.
The use of the inventive method of distillate removal from the preheating, heating via one or more heaters and return to the distillate of the preheating, is limited not only to distillation plants of seawater, but also to plants for the distillation of brackish water and biologically and chemically contaminated water for custom - and drinking water production.
Further features and details of the present invention will become apparent from the following description of the figures.
Showing:
Fig. 1 is a schematic representation of an MSF distillation plant with heat supply via solar panels according to the general state of the art.
Fig. 2 is a schematic representation of an MSF distillation plant with the inventive connection of thermal collectors.
Fig. 3 is a schematic representation of an MSF distillation plant, with the inventive connection of thermal collectors and hybrid collectors. Fig. 4 is a schematic representation of an MSF distillation plant, with steam supply via a compressor system and a connection of hybrid collectors.
The prior art shown in FIG. 1 is a well-known process of a MSF (Multi Stage Flash) distillation plant for the production of drinking water by a thermal process.
The heat from the collector 1 is passed from a buffer memory 4 via a heat exchanger 3 to the preheated seawater 2.
2 shows a schematic representation of an MSF distillation plant with the inventive connection of thermal collectors 1. The removal of distillate 5_1 from the preheating column 6 for the collector circuit is carried out at an average stage temperature. The return of the heated distillate 5_2 to the preheating column 6 takes place via an upstream expansion chamber 7 with steam supply line 8 into a condensation chamber 9 for residual heating of the seawater. The interposition of a buffer memory 4 ensures that the system can be kept in operation day and night.
Apart from the pumps, the system is driven exclusively thermally.
3 shows a schematic representation of an MSF distillation plant, with the inventive connection of thermal collectors 1 and hybrid collectors 10. The distillate decoupling 5_1 for both collector circuits takes place at the exit from the preheating column 6. From the thermal collectors 1, the heated distillate via a buffer memory 4 introduced into the expansion chamber 7. The hybrid collectors 10 pass the heated distillate 5_2 directly into one of the upper stages of the preheating column 6. Ideally, the distillate introduction is variably selectable in that stage in which approximately the temperature of the supplied distillate (5_2) prevails.
Apart from the pumps, the system is driven exclusively thermally.
Fig. 4 shows a schematic representation of an MSF distillation plant, which is operated in the base load via a compressor unit 11. The connection of the hybrid collectors 10 is used primarily for power generation. According to the invention, the distillate 5_1 is withdrawn on leaving the preheating column and, after being heated by the hybrid collectors 10, is returned to one of the upper stages of the preheating column 6.
Due to the low feed temperature, the hybrid collectors 11 can not independently operate the MWE plant without compressor assistance, but make a significant contribution to increasing the distillate output.
In the case of the features according to the invention that are shown schematically in all figures, it should be pointed out that the individual components and supply lines can be manufactured in all the different design variants and materials.